發(fā)動機廠數(shù)控加工中心維修策略探討
發(fā)布日期：2017-03-14 來源：《上海設備管理》
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目前，數(shù)控加工中心在工業(yè)領域，尤其是在汽車發(fā)動機制造領域受到廣泛應用。由于汽車發(fā)動機具有加工精度高的特點，且隨著近幾年汽車在中國市場的逐漸普及，發(fā)動機制造逐漸向高精度、高效率、高自動化、高柔性化的方向發(fā)展。目前，國內(nèi)大部分汽車發(fā)動機廠的數(shù)控加工中心主要以歐美等進口設備的采購為主。雖然國外先進設備的引進為企業(yè)帶來了活力，提高了加工的節(jié)拍和效率，但與此同時，企業(yè)在數(shù)控加工中心的管理、使用和維護等環(huán)節(jié)仍存在不少亟待解決的問題，主要表現(xiàn)在設備使用率偏低、故障率高且維修時間和材料成本偏高，從而導致企業(yè)的制造和運營成本較高。
一、數(shù)控加工中心故障趨勢
很多企業(yè)在對數(shù)控加工中心進行管理和維護時，仍然秉持的是“浴盆曲線”的觀點。浴盆曲線是指產(chǎn)品從投入到報廢為止的整個壽命周期內(nèi)，其可靠性的變化呈現(xiàn)一定規(guī)律。浴盆曲線的形狀呈兩頭高、中間低，可劃分為三個明顯階段：初期故障期、偶發(fā)故障期、磨損故障期。
然而，據(jù)相關機構(gòu)統(tǒng)計，現(xiàn)代加工設備符合“浴盆曲線”的概率并不高，以某單位的兩種品牌數(shù)控加工中心為例，故障率均呈現(xiàn)明顯波動（此處故障率是指設備維修時間除以設備計劃工作時間。由于加工中心數(shù)量較多，此故障率為每月設備平均故障率）。在設備初期調(diào)試階段，故障率的確高于生命周期的平均故障率，但到了設備中期，故障率波動較為明顯。同時，兩種品牌的加工中心為了消除維修人員技能等方面的影響因素，根據(jù)兩種品牌加工中心的故障次數(shù)進行了類似統(tǒng)計（由于加工中心數(shù)量較多，此故障次數(shù)為每小時設備平均故障次數(shù)），設備故障次數(shù)圍繞故障率呈現(xiàn)一致的波動狀態(tài)。由于加工中心結(jié)構(gòu)復雜，牽涉到液壓、氣動、機械結(jié)構(gòu)、電控等多方面因素，所以故障特征與傳統(tǒng)設備完全不同，“浴盆曲線”原理已經(jīng)難以適用于現(xiàn)代加工設備。經(jīng)分析大致得知兩點：一是加工中心在氣溫分別較高和較低的夏季和冬季，或者濕度較大的情況下，故障率較高；二是設備在長時間停機后開機，故障率較高，并且當設備是單班生產(chǎn)時，故障率要高于兩班和三班生產(chǎn)模式。綜上，傳統(tǒng)設備維修管理理論對于類似于數(shù)控加工中心的先進制造設備已具有明顯的局限性。如何在傳統(tǒng)維修理論的基礎上進行發(fā)展和創(chuàng)新，將是很多制造企業(yè)迫切需要解決的一大難題。
二、數(shù)控加工中心結(jié)構(gòu)及故障特點
數(shù)控加工中心是集機、電、液壓、氣動為一體的設備，其核心就是數(shù)控技術。目前加工中心已基本使用計算機數(shù)控技術（CNC技術），一次裝夾就能夠?qū)崿F(xiàn)加工出較復雜的零件，并且在加工余量大的情況下，能夠?qū)崿F(xiàn)高精度（0.001 mm）。由于數(shù)控加工中心的柔性化程度高，所以其故障也呈現(xiàn)出多元化的特點。以缸蓋一線加工中心的故障歷史數(shù)據(jù)為例，將該加工中心的部件系統(tǒng)分為以下11類：
（1）冷卻系統(tǒng)：水泵、水管及附帶的壓力、流量、溫度信號；
（2）潤滑系統(tǒng)：集中潤滑總成，包含潤滑電機、油箱、密封、過濾器等；
（3）排屑系統(tǒng)：將機床內(nèi)的鐵屑或鋁屑排出的系統(tǒng)，包括排屑鏈、排屑電機、掛屑器、排液泵等；
（4）電器系統(tǒng)：包含接觸器、熔斷器、繼電器、按鈕、連接線纜等裝置，同時也包括邏輯可編程控制器（PLC）、輸入輸出裝置（I/O）、屏幕（OP）、操作面板（MCP）等；
（5）伺服系統(tǒng)：用來精確地跟隨或復現(xiàn)某個過程的反饋控制系統(tǒng)，包含伺服電機、編碼器、變頻器、中央控制單元、驅(qū)動控制模塊等；
（6）主軸系統(tǒng)：主要指電主軸及相關附件；
（7）液壓系統(tǒng)：包含動力元件、執(zhí)行元件、控制元件、輔助元件（附件）和液壓油五大部分，主要部件為液壓泵、油缸、閥、油溫油位計等；
（8）氣動系統(tǒng)：通過以壓縮空氣為工作介質(zhì)傳遞動力或信號的方式提供動力的系統(tǒng)；
（9）刀庫系統(tǒng)：這里主要指盤式刀庫及其相關附件；
（10）進給系統(tǒng)：X、Y、Z軸進給系統(tǒng)及相關部件，包括導軌、滑塊、絲桿等；
（11）機械附件：包含夾具、聯(lián)動板、防護板等機械部件。
根據(jù)上述分類，對2010年～2016年的歷史故障數(shù)據(jù)進行了匯總和分析，如圖1所示。其中故障平均維修時間為故障維修總時間除以故障次數(shù)�？梢钥闯�，按照平均維修時間排序，維修時間最長的四個系統(tǒng)依次為主軸系統(tǒng)、進給系統(tǒng)、刀庫系統(tǒng)和排屑系統(tǒng)。目前，很多制造企業(yè)采用OEE（Overall Equipment Effectiveness）作為考核設備開工率的指標。OEE是一個獨立的測量工具，它用來表現(xiàn)實際生產(chǎn)能力相對于計劃產(chǎn)能的比率，其中設備故障及磨損是影響實際生產(chǎn)能力的重要因素。所以降低設備故障率和減少設備停機時間對于提升企業(yè)生產(chǎn)能力、尤其是針對平均維修時間較長的系統(tǒng)是極為重要的。
圖1 各系統(tǒng)故障平均維修時間（2010年～2016年）
三、數(shù)控加工中心維修工具及方法
目前，設備搶修（應急維修）已遠遠不能滿足現(xiàn)代企業(yè)的要求。隨著科技的進步，維修理論也經(jīng)歷了由應急維修和定期性預防維修，到以可靠性為中心的維修（RCM）和基于狀態(tài)的維修（CBM）的轉(zhuǎn)變，維修方法及工具也逐漸豐富。以某發(fā)動機廠為例，除應急維修外，整個維修體系包含了日常設備巡檢、設備專業(yè)點檢、月度保養(yǎng)（TPM）、年度保養(yǎng)和重大及重復性故障分析等。
主軸系統(tǒng)故障、進給系統(tǒng)故障、刀庫系統(tǒng)故障及排屑系統(tǒng)故障是該數(shù)控加工中心維修時間最長的四個部件，針對這些易造成重大故障的部件（本文定義維修時間超過240 min為重大故障），制定了設備專業(yè)點檢體系，結(jié)合狀態(tài)維修理念進行設備的預防性維護。
1、電主軸
電主軸是將變頻電機與機床主軸合二為一的主軸，屬于集成式的主軸單元，實現(xiàn)了機床的“零傳動”，具有轉(zhuǎn)速高、功率大的特點。本文例舉的缸蓋加工中心采用的是最高轉(zhuǎn)速達24000r/min的電主軸，實現(xiàn)了高速和精密切削的要求。由于電主軸價值昂貴（達20余萬元），更換時間長且過程復雜，所以對電主軸進行預防性維護十分必要。
電主軸的常見故障主要有軸承損傷、刀具夾爪損傷、拉刀夾緊力下降和一些電氣故障（如線圈燒壞、傳感器損壞等），針對上述故障，制定針對主軸的專業(yè)點檢項目：
① 測量主軸徑向跳動及不平衡量；
② 測量主軸放松時端面伸出量，對不符合要求的進行調(diào)整；
③ 測量主軸握刀夾緊力，對不符合要求的進行調(diào)整；
④ 檢查HSK夾頭磨損情況，對磨損夾頭進行更換；
⑤ 高壓切削液有無泄漏（管路和旋轉(zhuǎn)接頭）；
⑥ 檢查主軸夾頭與刀柄密封圈有無磨損，視情況更換。
2、進給系統(tǒng)
本文例舉的數(shù)控機床采用直線電機、導軌滑塊和光柵尺作為進給系統(tǒng)的組成部分。對于上述部件構(gòu)成的進給系統(tǒng)，同樣面臨著更換時間長、更換過程復雜的情況，并且由于數(shù)控機床伺服系統(tǒng)實現(xiàn)了對機械運動的實時監(jiān)控，所以當進給系統(tǒng)報警時，現(xiàn)象往往不明顯，報警內(nèi)容的指向性不是很強，需要維修人員進行一系列分析后，方能確定具體的故障原因或損壞部件，所以診斷時間也較長。
分析該數(shù)控機床進給系統(tǒng)的歷史維修數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)造成進給系統(tǒng)故障的主要原因為潤滑不足（該加工中心采用手動加注油脂的潤滑方式），所以預防性檢查和維護十分必要。以下是針對該機床進給系統(tǒng)制定的專業(yè)點檢項目：
① 檢查導軌滑塊潤滑情況（ 視情況加潤滑脂）；
② 檢查滑動阻力是否過大；
③ 檢查導軌滑塊刮屑器是否正常；
④ 檢查導軌定位面是否能塞進0.02 mm塞片；
⑤ 檢查光柵尺氣密0.4～0.7 bar，檢查氣管是否出氣；
⑥ 檢查光柵尺讀頭與尺身的間隙；
⑦ 檢查緩沖器有無損壞（視情況更換）；
⑧ 測量機床精度。
3、刀庫系統(tǒng)
數(shù)控機床刀庫系統(tǒng)的工作原理是由伺服電機配合減速箱對盤式刀庫進行驅(qū)動，該刀庫具有響應速度快的特點，但是頻繁的抓放刀過程也容易造成刀庫卡爪及刀盤變形。針對上述問題，需要對刀庫進行定期檢查，避免刀庫故障造成的生產(chǎn)損失。以下是針對刀庫系統(tǒng)的專業(yè)點檢項目：
① 檢查刀盤是否有晃動，減速箱工作是否正常；
② 檢查刀爪、彈簧和刀具限位機構(gòu)；
③ 檢查主軸在刀庫上的抓放刀位置是否準確。
4、排屑系統(tǒng)
排屑系統(tǒng)是用于對加工過程中產(chǎn)生的鋁屑進行清理，避免鋁屑在機床內(nèi)部堆積；由于排屑鏈的鏈條較長，一旦發(fā)生排屑鏈堵轉(zhuǎn)或者排屑鏈斷裂，維修時間將大幅度增加。為了避免類似情況的發(fā)生，定期檢查排屑鏈的松緊及磨損情況就十分必要。
在確定對關鍵部件的檢查項目后，就要對檢查周期進行合理安排。合理的檢查周期不僅能夠?qū)崿F(xiàn)將故障消滅在萌芽狀態(tài)，以降低故障率，而且可以避免預防性維修頻次過高造成的人力及材料費用的浪費。
按照供應商提供的資料，機床進給系統(tǒng)、刀庫及排屑系統(tǒng)的建議保養(yǎng)周期為一年一次，電主軸的保養(yǎng)項目中更換主軸密封件的要求頻次最高，為一季度一次（以上周期都是在每天8小時工作制基礎上制定的）。結(jié)合生產(chǎn)中實際的歷史故障頻次及數(shù)據(jù)（如表1所示），決定將檢查周期進行一定調(diào)整。
表1 2010年～2013年單臺故障次數(shù)累計
從表1可以計算出，主軸系統(tǒng)、進給系統(tǒng)、刀庫系統(tǒng)及排屑系統(tǒng)平均每年單臺故障次數(shù)分別為1.4次、1.6次、0.92次、0.97次，綜合供應商提供的數(shù)據(jù)，決定將以上四大系統(tǒng)的專業(yè)點檢周期設定為一季度一次、半年一次、一年一次、一年一次。通過日常巡檢、月度保養(yǎng)（TPM）、年度保養(yǎng)結(jié)合設備專業(yè)點檢的預防性保養(yǎng)體系，降低了加工中心的故障率，四大系統(tǒng)的平均每年單臺故障次數(shù)下降至0.75次、0.65次、0.47次、0.49次，提升了設備開工率。
四、基于狀態(tài)的維修（CBM）在加工中心的應用
基于狀態(tài)的維修（CBM）是一種全新的設備維護方式，主張基于設備狀態(tài)檢測信息采取相應維護措施。它的產(chǎn)生是基于傳感器技術、信號處理技術、計算機技術的發(fā)展，核心思想是在有證據(jù)表明故障將要發(fā)生時才對設備進行維護，目的是準確地檢測和判斷設備運行中所處狀態(tài)以及環(huán)境條件，利用這些信息對設備預期的可使用壽命進行預測，有針對性地制定設備維護計劃。
目前，國內(nèi)外較為典型的狀態(tài)監(jiān)測方式主要有離線定期監(jiān)測、在線監(jiān)測離線分析的監(jiān)測、在線監(jiān)測。對于旋轉(zhuǎn)類運動設備，主要有以下四個方面的監(jiān)測診斷工作：
1、振動監(jiān)測
振動可以敏銳地發(fā)現(xiàn)回轉(zhuǎn)或往復機械異常指標和故障，通過對振動信號的采樣和數(shù)據(jù)處理，就可以把握機器的劣化程度和異常現(xiàn)象，使機器和零部件的壽命得以最大限度使用，并且分清故障性質(zhì)，方便地決定維修時間和范圍，延長了檢修周期，確保機器正常運行。振動診斷主要有簡易診斷和精密診斷兩種模式。作為設備診斷技術中最先進的技術，振動監(jiān)測已在生產(chǎn)現(xiàn)場廣為應用，是目前最常用的診斷手段，主要用于對運轉(zhuǎn)設備的水平、垂直、軸向振動進行定量測量，及時發(fā)現(xiàn)潛在故障。目前對取得的振動信號的分析方法有“頻譜”、“倒頻譜”、“振動加速度包絡”等。振動測量是最有效判斷運轉(zhuǎn)設備狀態(tài)的方法之一。
2、溫度監(jiān)測
在工業(yè)生產(chǎn)中，“溫度”這一參數(shù)約占測量總量的50%左右。因此，設備或生產(chǎn)過程的溫度（或稱熱狀態(tài)）監(jiān)測是設備診斷技術的一個重要部分。利用溫度監(jiān)測，可以迅速準確找出設備的過熱故障點，提供機械設備預知維修的有關信息，并在產(chǎn)品檢驗、結(jié)構(gòu)改進、節(jié)能降耗等方面發(fā)揮顯著作用，是開展設備診斷工作的一個重點項目。隨著現(xiàn)代科學技術的發(fā)展，紅外測溫儀器大量應用于溫度監(jiān)測診斷設備故障領域中。紅外測溫技術是溫度監(jiān)測工作的一個專門技術領域，它在生產(chǎn)實踐中不斷發(fā)展而日趨完善，逐漸滲透到工業(yè)各部門中。這種技術在許多領域內(nèi)已經(jīng)成為不可替代的工具，正在由一種現(xiàn)代化的測溫技術轉(zhuǎn)變?yōu)橐环N較為全面的設備狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷的實用方法。
3、電流（功率）監(jiān)測
電流或功率監(jiān)測對電機起到運行監(jiān)護的作用，在生產(chǎn)中廣為運用，是保護電機的重要手段，也是對電機進行遠程控制的重要遠傳參數(shù)之一。主要儀表為電流表、功率表、電壓表等。
4、壓力監(jiān)測
在化工生產(chǎn)中，整個系統(tǒng)的壓力是非常重要的。反應和輸送過程中壓力控制的好壞不僅涉及經(jīng)濟性，更重要的是安全問題。它也是國家在設計規(guī)范和安全附屬設施中要求定期檢測的項目。主要儀表有現(xiàn)場儀表和遠傳儀表。
隨著數(shù)控加工中心朝著自動化和智能化的方向發(fā)展，機床自帶的在線監(jiān)測設備也越來越多，為了豐富設備狀態(tài)監(jiān)測的工具和方法，專業(yè)的離線狀態(tài)監(jiān)測工具正逐步在加工中心現(xiàn)場進行應用。以本文提到的加工中心為例，測力計、振動分析儀、示波器、球桿儀、編碼器檢測儀、Profibus網(wǎng)絡診斷器及便攜式動平衡機等已經(jīng)開始投入使用，如表2所示。
表2 監(jiān)測工具的使用
結(jié)合狀態(tài)監(jiān)測工具，在關鍵部件的專業(yè)點檢過程中實現(xiàn)了精確化診斷和狀態(tài)趨勢預測，發(fā)現(xiàn)了很多常規(guī)手段難以察覺的故障隱患，對設備的預防性維護實現(xiàn)了助力和提升，并對備件的預防性更換周期和設備專業(yè)點檢周期進行了優(yōu)化和微調(diào)，在降低設備故障率的同時，也減少了設備維護材料使用量和人工成本，尤其是在對電主軸、導軌滑塊、絲桿、泵等關鍵部件的預防性維護上效果顯著。
五、結(jié)語
目前大多數(shù)企業(yè)采用機械化的定期設備保養(yǎng)的方法，相比傳統(tǒng)的以搶修為主的維修思路有了很大提升，但是仍存在“設備維護不足”和“設備維護過剩”的風險，造成設備、產(chǎn)量損失和成本浪費。
基于狀態(tài)的維修理念正逐步發(fā)展，該方法通過狀態(tài)監(jiān)測及狀態(tài)診斷等判斷設備的劣化程度。本文將基于狀態(tài)的維修理念與設備專業(yè)點檢機制相結(jié)合，通過狀態(tài)監(jiān)測及診斷優(yōu)化設備專業(yè)點檢項目、方法及點檢周期。在生產(chǎn)應用中，該維修策略起到了降低設備故障率和提升設備開工率（OEE）的效果。實踐表明：設備開工率達到90%左右，驗證了該維修策略的有效性。
作者：高衡 單位：上海交通大學機械與動力工程學院
